Model antioxidačného metabolitu glutatiónu. Žltá guľa je redoxne aktívny atóm síry, ktorý zabezpečuje antioxidačnú aktivitu, zatiaľ čo červená, modrá, biela a tmavosivá guľa predstavujú atómy kyslíka, dusíka, vodíka a uhlíka.
Antioxidant je molekula schopná inhibovať oxidáciu iných molekúl. Oxidácia je chemická reakcia, pri ktorej dochádza k prenosu elektrónov alebo vodíka z látky na oxidačné činidlo. Pri oxidačných reakciách môžu vznikať voľné radikály. Tieto radikály môžu následne spustiť reťazové reakcie. Keď reťazová reakcia nastane v bunke, môže spôsobiť poškodenie alebo smrť bunky. Antioxidanty ukončujú tieto reťazové reakcie odstraňovaním medziproduktov voľných radikálov a inhibujú ďalšie oxidačné reakcie. Robia to tak, že sa sami oxidujú, takže antioxidanty sú často redukčné činidlá, ako sú tioly, kyselina askorbová alebo polyfenoly.
Hoci sú oxidačné reakcie pre život kľúčové, môžu byť aj škodlivé; rastliny a živočíchy udržiavajú komplexné systémy viacerých typov antioxidantov, ako sú glutatión, vitamín C a vitamín E, ako aj enzýmy ako kataláza, superoxiddismutáza a rôzne peroxidázy. Nízke hladiny antioxidantov alebo inhibícia antioxidačných enzýmov spôsobujú oxidačný stres a môžu poškodiť alebo usmrtiť bunky.
Keďže oxidačný stres sa zdá byť dôležitou súčasťou mnohých ľudských ochorení, intenzívne sa skúma využitie antioxidantov vo farmakológii, najmä ako liečby cievnej mozgovej príhody a neurodegeneratívnych ochorení. Nie je však známe, či je oxidačný stres príčinou alebo dôsledkom ochorenia.
Antioxidanty sa vo veľkej miere používajú ako zložky výživových doplnkov a skúmajú sa ako prevencia chorôb, ako je rakovina, ischemická choroba srdca a dokonca aj výšková choroba. Hoci prvé štúdie naznačovali, že antioxidačné doplnky by mohli podporiť zdravie, neskoršie rozsiahle klinické štúdie nezistili žiadny prínos a namiesto toho naznačili, že nadmerná suplementácia je škodlivá. (Pokiaľ ide o predchádzajúce citované štúdie, v prvej sa len ukázalo, že antioxidačné doplnky neboli účinné pri pomoci proti „horskej chorobe“, a v druhej štúdii sa ukázalo, že doplnky betakaroténu, vitamínu A a vitamínu E „jednotlivo alebo v kombinácii významne zvyšovali úmrtnosť“. Hoci sa v nej uvádza, že „väčšina štúdií skúmala účinky doplnkov podávaných vo vyšších dávkach, ako sú tie, ktoré sa bežne vyskytujú vo vyváženej strave“, zatiaľ čo sa v nej uvádza, že „vitamín C a selén nemali významný vplyv na úmrtnosť“). Okrem týchto využití prírodných antioxidantov v medicíne majú tieto zlúčeniny aj mnohé priemyselné využitie, napríklad ako konzervačné látky v potravinách a kozmetike a zabraňujú degradácii gumy a benzínu.
V rámci adaptácie na morský život začali suchozemské rastliny produkovať nemorské antioxidanty, ako sú kyselina askorbová (vitamín C), polyfenoly a tokoferoly. V dôsledku evolúcie mnohosemenných rastlín pred 50 až 200 miliónmi rokov sa vyvinuli mnohé antioxidačné pigmenty – najmä v období jury – ako chemická obrana proti reaktívnym formám kyslíka, ktoré sú vedľajšími produktmi fotosyntézy. Termín antioxidant sa pôvodne používal konkrétne na označenie chemickej látky, ktorá zabraňuje spotrebe kyslíka. Koncom 19. a začiatkom 20. storočia sa rozsiahle štúdie venovali využitiu antioxidantov v dôležitých priemyselných procesoch, ako je prevencia korózie kovov, vulkanizácia kaučuku a polymerizácia palív pri znečistení spaľovacích motorov.
Prvý výskum úlohy antioxidantov v biológii sa zameral na ich využitie pri prevencii oxidácie nenasýtených tukov, ktorá je príčinou žltnutia. Antioxidačná aktivita sa dala merať jednoducho umiestnením tuku do uzavretej nádoby s kyslíkom a meraním rýchlosti spotreby kyslíka. Avšak až identifikácia vitamínov A, C a E ako antioxidantov spôsobila revolúciu v tejto oblasti a viedla k uvedomeniu si významu antioxidantov v biochémii živých organizmov.
Možné mechanizmy účinku antioxidantov sa začali skúmať, keď sa zistilo, že látka s antioxidačnou aktivitou je pravdepodobne taká, ktorá sa sama ľahko oxiduje. Výskum toho, ako vitamín E zabraňuje procesu peroxidácie lipidov, viedol k identifikácii antioxidantov ako redukčných látok, ktoré zabraňujú oxidačným reakciám, často tým, že odstraňujú reaktívne formy kyslíka skôr, ako môžu poškodiť bunky.
Oxidačná výzva v biológii
Štruktúra antioxidačného vitamínu kyseliny askorbovej (vitamínu C).
Paradoxom v metabolizme je, že hoci prevažná väčšina zložitého života na Zemi potrebuje pre svoju existenciu kyslík, kyslík je vysoko reaktívna molekula, ktorá poškodzuje živé organizmy produkciou reaktívnych foriem kyslíka. Organizmy preto obsahujú komplexnú sieť antioxidačných metabolitov a enzýmov, ktoré spolupracujú, aby zabránili oxidačnému poškodeniu bunkových zložiek, ako sú DNA, proteíny a lipidy. Vo všeobecnosti antioxidačné systémy buď zabraňujú vzniku týchto reaktívnych foriem, alebo ich odstraňujú skôr, ako môžu poškodiť životne dôležité zložky bunky. Keďže však reaktívne formy kyslíka majú v bunkách užitočné funkcie, ako je napríklad redoxná signalizácia, funkciou antioxidačných systémov nie je úplne odstrániť oxidanty, ale skôr ich udržať na optimálnej úrovni.
Medzi reaktívne formy kyslíka vznikajúce v bunkách patria peroxid vodíka (H2O2), kyselina chlórová (HClO) a voľné radikály, ako je hydroxylový radikál (-OH) a superoxidový anión (O2-). Hydroxylový radikál je obzvlášť nestabilný a reaguje rýchlo a nešpecificky s väčšinou biologických molekúl. Tento druh vzniká z peroxidu vodíka pri redoxných reakciách katalyzovaných kovmi, ako je napríklad Fentonova reakcia. Tieto oxidanty môžu poškodiť bunky spustením chemických reťazových reakcií, ako je peroxidácia lipidov, alebo oxidáciou DNA či proteínov. Poškodenie DNA môže spôsobiť mutácie a prípadne rakovinu, ak sa nezvráti mechanizmami opravy DNA, zatiaľ čo poškodenie proteínov spôsobuje inhibíciu enzýmov, denaturáciu a degradáciu proteínov.
Pri využívaní kyslíka v procese tvorby metabolickej energie vznikajú reaktívne formy kyslíka. V tomto procese vzniká superoxidový anión ako vedľajší produkt niekoľkých krokov v elektrónovom transportnom reťazci. Obzvlášť dôležitá je redukcia koenzýmu Q v komplexe III, pretože ako medziprodukt vzniká vysoko reaktívny voľný radikál (Q–). Tento nestabilný medziprodukt môže viesť k „úniku“ elektrónov, keď elektróny preskočia priamo na kyslík a vytvoria superoxidový anión namiesto toho, aby prešli normálnym radom dobre kontrolovaných reakcií elektrónového transportného reťazca. Peroxid vzniká aj oxidáciou redukovaných flavoproteínov, ako je napríklad komplex I. Hoci tieto enzýmy môžu produkovať oxidanty, relatívny význam reťazca prenosu elektrónov pre ostatné procesy, pri ktorých vzniká peroxid, je však nejasný. V rastlinách, riasach a siniciach vznikajú reaktívne formy kyslíka aj počas fotosyntézy, najmä v podmienkach vysokej intenzity svetla. Tento účinok je čiastočne kompenzovaný zapojením karotenoidov do fotoinhibície, ktorá zahŕňa reakciu týchto antioxidantov s nadmerne redukovanými formami fotosyntetických reakčných centier, aby sa zabránilo produkcii reaktívnych foriem kyslíka.
Antioxidanty sa rozdeľujú na dve veľké skupiny podľa toho, či sú rozpustné vo vode (hydrofilné) alebo v lipidoch (hydrofóbne). Vo všeobecnosti antioxidanty rozpustné vo vode reagujú s oxidantmi v bunkovom cytosole a krvnej plazme, zatiaľ čo antioxidanty rozpustné v lipidoch chránia bunkové membrány pred peroxidáciou lipidov. Tieto zlúčeniny môžu byť syntetizované v tele alebo získané zo stravy. Rôzne antioxidanty sú v telesných tekutinách a tkanivách prítomné v širokom rozsahu koncentrácií, pričom niektoré, ako napríklad glutatión alebo ubichinón, sú prítomné prevažne v bunkách, zatiaľ čo iné, ako napríklad kyselina močová, sú rozložené rovnomernejšie (pozri tabuľku nižšie). Niektoré antioxidanty sa nachádzajú len v niekoľkých organizmoch a tieto zlúčeniny môžu byť dôležité u patogénov a môžu byť faktormi virulencie.
Relatívny význam a interakcie medzi týmito rôznymi antioxidantmi je veľmi zložitá otázka, pričom rôzne metabolity a enzýmové systémy majú synergické a vzájomne závislé účinky. Pôsobenie jedného antioxidantu preto môže závisieť od správnej funkcie ostatných členov antioxidačného systému. Miera ochrany, ktorú poskytuje ktorýkoľvek antioxidant, bude závisieť aj od jeho koncentrácie, jeho reaktivity voči konkrétnym reaktívnym formám kyslíka a stavu antioxidantov, s ktorými interaguje.
Niektoré zlúčeniny prispievajú k antioxidačnej ochrane tým, že chelatujú prechodné kovy a zabraňujú im katalyzovať tvorbu voľných radikálov v bunke. Obzvlášť dôležitá je schopnosť sekvestrovať železo, čo je funkcia proteínov viažucich železo, ako sú transferín a feritín. Selén a zinok sa bežne označujú ako antioxidačné živiny, ale tieto chemické prvky samy o sebe nemajú antioxidačný účinok a namiesto toho sú potrebné pre aktivitu niektorých antioxidačných enzýmov, ako sa uvádza ďalej.
Kyselina močová (UA) je oxipurín, ktorý sa vyrába z xantínu pomocou enzýmu xantínoxidázy a je medziproduktom metabolizmu purínov. Takmer u všetkých suchozemských živočíchov urát oxidáza ďalej katalyzuje oxidáciu kyseliny močovej na alantoín. U ľudí a väčšiny vyšších primátov je však gén UA prítomný, ale nefunkčný, takže UA sa ďalej nespracúva. Evolučné dôvody tejto straty premeny urátu na alantoín sú stále predmetom aktívnych špekulácií, ale antioxidačné účinky kyseliny močovej viedli vedcov k domnienke, že táto mutácia bola pre prvé primáty a ľudí prospešná. Štúdie aklimatizácie vo vysokých nadmorských výškach podporujú hypotézu, že urát pôsobí ako antioxidant tým, že zmierňuje oxidačný stres spôsobený vysokohorskou hypoxiou. V štúdiách na zvieratách, v ktorých sa skúmali ochorenia uľahčené oxidačným stresom, zavedenie UA zabraňuje ochoreniu alebo ho znižuje, čo vedie výskumníkov k návrhu, že je to vďaka antioxidačným vlastnostiam UA. Štúdie antioxidačného mechanizmu UA podporili tento návrh. Gwen Scottová vysvetľuje význam týchto zistení návrhom, že „sérové hladiny UA sú nepriamo spojené s výskytom SM u ľudí, pretože pacienti so SM majú nízke sérové hladiny UA a u jedincov s hyperurikémiou (dnou) sa zriedkavo vyvinie ochorenie. Okrem toho je podávanie UA terapeutické pri experimentálnej alergickej encefalomyelitíde (EAE), ktorá je zvieracím modelom SM.“
Zatiaľ čo mechanizmus UA ako antioxidantu je dobre podložený, tvrdenie, že jeho hladiny ovplyvňujú riziko SM, je stále kontroverzné a vyžaduje si ďalší výskum. V porovnaní s inými antioxidantmi má UA najvyššiu koncentráciu zo všetkých v krvi a poskytuje približne polovicu celkovej antioxidačnej kapacity ľudského séra. Antioxidačné aktivity kyseliny močovej sú tiež komplexné vzhľadom na to, že nereaguje so všetkými oxidantmi, ako je superoxid, ale pôsobí proti peroxynitritu, peroxidom a kyseline chlórnej. Obavy zo zvýšeného podielu UA na vzniku dny treba považovať za jeden z mnohých rizikových faktorov. Samotné riziko vzniku dny súvisiace s UA pri vysokých hladinách (415 – 530 μmol/l) je len 0,5 % ročne, pričom pri presýtených hladinách UA (535+ μmol/l) sa zvyšuje na 4,5 % ročne. Mnohé z týchto vyššie uvedených štúdií stanovili antioxidačné účinky UA v rámci normálnych fyziologických hladín a niektoré zistili antioxidačnú aktivitu pri hladinách až 285 μmol/l. Účinky kyseliny močovej pri stavoch, ako sú mozgová príhoda a infarkt, nie sú stále dobre známe, pričom niektoré štúdie spájajú vyššie hladiny kyseliny močovej so zvýšenou úmrtnosťou a iné, dôkladnejšie štúdie nepreukázali žiadnu súvislosť. Tento zjavný účinok môže byť spôsobený tým, že kyselina močová sa aktivuje ako obranný mechanizmus proti oxidačnému stresu, ale namiesto toho pôsobí ako prooxidant v prípadoch, keď metabolické poruchy posunú jej produkciu ďaleko za normálne hodnoty.
Kyselina askorbová alebo „vitamín C“ je monosacharidový oxidačno-redukčný (redoxný) katalyzátor, ktorý sa nachádza v živočíchoch aj rastlinách. Keďže jeden z enzýmov potrebných na tvorbu kyseliny askorbovej sa stratil mutáciou počas evolúcie primátov, ľudia ju musia získavať zo stravy; je to teda vitamín. Väčšina ostatných živočíchov si túto zlúčeninu dokáže vyrobiť vo svojom tele a nepotrebuje ju v strave. Kyselina askorbová je potrebná na premenu prokolagénu na kolagén oxidáciou zvyškov prolínu na hydroxyprolín. V ostatných bunkách sa udržiava v redukovanej forme reakciou s glutatiónom, ktorú môžu katalyzovať proteín disulfid izomeráza a glutaredoxíny. Kyselina askorbová je redoxný katalyzátor, ktorý môže redukovať, a tým neutralizovať reaktívne formy kyslíka, ako je peroxid vodíka. Okrem priamych antioxidačných účinkov je kyselina askorbová aj substrátom pre redoxný enzým askorbátperoxidázu, ktorého funkcia je obzvlášť dôležitá pri odolnosti rastlín voči stresu. Kyselina askorbová je prítomná vo vysokých hladinách vo všetkých častiach rastlín a v chloroplastoch môže dosahovať koncentrácie 20 milimolárov.
Mechanizmus voľných radikálov pri peroxidácii lipidov.
Glutatión je peptid obsahujúci cysteín, ktorý sa nachádza vo väčšine foriem aeróbneho života. Nie je potrebný v potrave a namiesto toho sa syntetizuje v bunkách z aminokyselín, ktoré ho tvoria. Glutatión má antioxidačné vlastnosti, pretože tiolová skupina v jeho cysteínovej časti je redukčné činidlo a môže sa reverzibilne oxidovať a redukovať. V bunkách je glutatión udržiavaný v redukovanej forme enzýmom glutatiónreduktázou a následne redukuje iné metabolity a enzýmové systémy, ako napríklad askorbát v glutatión-askorbátovom cykle, glutatiónperoxidázy a glutaredoxíny, ako aj priamo reaguje s oxidantmi. Vzhľadom na svoju vysokú koncentráciu a ústrednú úlohu pri udržiavaní redoxného stavu bunky je glutatión jedným z najdôležitejších bunkových antioxidantov. V niektorých organizmoch je glutatión nahradený inými tiolmi, napríklad mykotiolom u aktinomycét, bacilitiolom u niektorých grampozitívnych baktérií alebo trypanotiónom u kinetoplastidov.
Melatonín je silný antioxidant a na rozdiel od bežných antioxidantov, ako sú vitamíny C a E a glutatión, sa vytvára v ľudskom tele a získava sa zo stravy (ovocie, zelenina, obilniny, byliny atď. obsahujú melatonín). Melatonín ľahko prechádza cez bunkové membrány a hematoencefalickú bariéru. Na rozdiel od iných antioxidantov melatonín nepodlieha redoxnému cyklu, čo je schopnosť molekuly podliehať opakovanej redukcii a oxidácii. Redoxný cyklus môže umožniť, aby iné antioxidanty (napríklad vitamín C) pôsobili ako prooxidanty a podporovali tvorbu voľných radikálov. Melatonín sa po oxidácii nemôže zredukovať do pôvodného stavu, pretože pri reakcii s voľnými radikálmi vytvára niekoľko stabilných konečných produktov. Preto sa označuje ako terminálny (alebo samovražedný) antioxidant[80].
Tokoferoly a tokotrienoly (vitamín E)
Vitamín E je súhrnný názov pre súbor ôsmich príbuzných tokoferolov a tokotrienolov, ktoré sú vitamínmi rozpustnými v tukoch s antioxidačnými vlastnosťami[81][82], z ktorých sa najviac skúmal α-tokoferol, pretože má najvyššiu biologickú dostupnosť, pričom telo túto formu prednostne absorbuje a metabolizuje[83].
Tvrdí sa, že forma α-tokoferolu je najdôležitejším antioxidantom rozpustným v lipidoch a že chráni membrány pred oxidáciou tým, že reaguje s lipidovými radikálmi vznikajúcimi pri reťazovej reakcii peroxidácie lipidov [81] [84]. Pri tejto reakcii vznikajú oxidované α-tokoferoxylové radikály, ktoré sa môžu recyklovať späť na aktívnu redukovanú formu prostredníctvom redukcie inými antioxidantmi, ako je askorbát, retinol alebo ubichinol[85]. To je v súlade so zisteniami, ktoré ukazujú, že α-tokoferol, ale nie antioxidanty rozpustné vo vode, účinne chráni bunky s deficitom glutatiónperoxidázy 4 (GPX4) pred bunkovou smrťou[86]. GPx4 je jediný známy enzým, ktorý účinne redukuje lipid-hydroperoxidy v biologických membránach.
Úlohy a význam rôznych foriem vitamínu E sú však v súčasnosti nejasné[87][88] a dokonca sa predpokladá, že najdôležitejšou funkciou α-tokoferolu je signálna molekula, pričom táto molekula nemá významnú úlohu v antioxidačnom metabolizme.[89][90] Funkcie ostatných foriem vitamínu E sú ešte menej objasnené, hoci γ-tokoferol je nukleofil, ktorý môže reagovať s elektrofilnými mutagénmi[83], a tokotrienoly môžu byť dôležité pri ochrane neurónov pred poškodením[91].
Antioxidanty, ktoré sú redukčnými činidlami, môžu pôsobiť aj ako prooxidanty. Napríklad vitamín C má antioxidačnú aktivitu, keď redukuje oxidačné látky, ako je peroxid vodíka,[92] avšak redukuje aj ióny kovov, ktoré generujú voľné radikály prostredníctvom Fentonovej reakcie[93][94].
Potenciál antioxidačných doplnkov poškodiť zdravie
Enzymatická cesta detoxikácie reaktívnych foriem kyslíka.
Podobne ako chemické antioxidanty sú bunky chránené pred oxidačným stresom vzájomne sa ovplyvňujúcou sieťou antioxidačných enzýmov. Tu sa superoxid uvoľnený pri procesoch, ako je oxidačná fosforylácia, najprv premení na peroxid vodíka a potom sa ďalej redukuje na vodu. Táto detoxikačná cesta je výsledkom činnosti viacerých enzýmov, pričom superoxid dismutázy katalyzujú prvý krok a potom katalázy a rôzne peroxidázy odstraňujú peroxid vodíka. Podobne ako v prípade antioxidačných metabolitov je ťažké od seba oddeliť príspevky týchto enzýmov k antioxidačnej obrane, ale informatívne môže byť vytvorenie transgénnych myší, ktorým chýba len jeden antioxidačný enzým [102].
Superoxiddismutáza, kataláza a peroxiredoxíny
Superoxiddismutázy (SOD) sú triedou úzko súvisiacich enzýmov, ktoré katalyzujú rozklad superoxidového aniónu na kyslík a peroxid vodíka.Enzýmy SOD sú prítomné takmer vo všetkých aeróbnych bunkách a v extracelulárnych tekutinách.Enzýmy superoxiddismutázy obsahujú kofaktory kovových iónov, ktorými môžu byť v závislosti od izozýmu meď, zinok, mangán alebo železo. U ľudí je meď/zinok SOD prítomná v cytosole, zatiaľ čo mangánová SOD je prítomná v mitochondriách. 104. V extracelulárnych tekutinách existuje aj tretia forma SOD, ktorá obsahuje meď a zinok vo svojich aktívnych miestach. 105.[106] Zdá sa, že mitochondriálny izozým je z týchto troch biologicky najdôležitejší, pretože myši, ktorým tento enzým chýba, hynú čoskoro po narodení.[107] Naproti tomu myši, ktorým chýba meď/zinok SOD (Sod1), sú životaschopné, ale majú početné patologické stavy a skrátenú dĺžku života (pozri článok o superoxide), zatiaľ čo myši bez extracelulárnej SOD majú minimálne defekty (citlivé na hyperoxiu). 102][108] U rastlín sú izozymy SOD prítomné v cytosole a mitochondriách, pričom v chloroplastoch sa nachádza železitá SOD, ktorá u stavovcov a kvasiniek chýba.
Katalázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú premenu peroxidu vodíka na vodu a kyslík, pričom využívajú buď železný, alebo mangánový kofaktor.[110][111] Tento proteín je lokalizovaný v peroxizómoch vo väčšine eukaryotických buniek.[112] Kataláza je nezvyčajný enzým, pretože hoci je peroxid vodíka jej jediným substrátom, postupuje ping-pongovým mechanizmom. V tomto prípade sa jej kofaktor oxiduje jednou molekulou peroxidu vodíka a potom sa regeneruje prenosom viazaného kyslíka na druhú molekulu substrátu.[113] Napriek jej zjavnému významu pri odstraňovaní peroxidu vodíka ľudia s genetickým nedostatkom katalázy – „akatalasémiou“ – alebo myši geneticky upravené tak, aby im kataláza úplne chýbala, trpia len malými chorobnými účinkami.[114][115]
Dekamerická štruktúra AhpC, bakteriálneho 2-cysteínového peroxiredoxínu zo Salmonella typhimurium [116].
Tioredoxínové a glutatiónové systémy
Tioredoxínový systém obsahuje 12-kDa proteín tioredoxín a jeho sprievodnú tioredoxín reduktázu [124] Proteíny príbuzné tioredoxínu sú prítomné vo všetkých sekvenovaných organizmoch. Rastliny, ako napríklad Arabidopsis thaliana, majú obzvlášť veľkú rozmanitosť izoforiem. 125] Aktívne miesto tioredoxínu pozostáva z dvoch susedných cysteínov ako súčasti vysoko konzervovaného motívu CXXC, ktorý môže cyklicky prechádzať medzi aktívnou ditiolovou formou (redukovanou) a oxidovanou disulfidovou formou. V aktívnom stave pôsobí tioredoxín ako účinné redukčné činidlo, vychytáva reaktívne formy kyslíka a udržiava ostatné proteíny v redukovanom stave[126]. Po oxidácii sa aktívny tioredoxín regeneruje pôsobením tioredoxínreduktázy, pričom ako donor elektrónov sa používa NADPH[127].
Glutatiónový systém zahŕňa glutatión, glutatiónreduktázu, glutatiónperoxidázy a glutatión S-transferázy. Tento systém sa nachádza u živočíchov, rastlín a mikroorganizmov. 128 Glutatiónperoxidáza je enzým obsahujúci štyri selén-kofaktory, ktorý katalyzuje rozklad peroxidu vodíka a organických hydroperoxidov. U živočíchov existujú najmenej štyri rôzne izozymy glutatiónperoxidázy. 1. glutatiónperoxidáza je najrozšírenejšia a je veľmi účinným odstraňovačom peroxidu vodíka, zatiaľ čo 4. glutatiónperoxidáza je najaktívnejšia pri lipidových hydroperoxidoch[129]. Prekvapivo je glutatiónperoxidáza 1 nepostrádateľná, pretože myši, ktorým tento enzým chýba, majú normálnu dĺžku života,[130] ale sú precitlivené na indukovaný oxidačný stres[131]. Okrem toho glutatión S-transferázy vykazujú vysokú aktivitu s lipidovými peroxidmi[132]. Tieto enzýmy sú v pečeni v obzvlášť vysokých hladinách a slúžia aj v detoxikačnom metabolizme[133].
Oxidačný stres pri ochorení
Predpokladá sa, že oxidačný stres prispieva k rozvoju širokej škály ochorení vrátane Alzheimerovej choroby,[134][135] Parkinsonovej choroby,[136] patologických stavov spôsobených cukrovkou,[137][138] reumatoidnej artritídy[139] a neurodegenerácie pri ochoreniach motorických neurónov.[140] V mnohých z týchto prípadov nie je jasné, či oxidanty spúšťajú ochorenie, alebo či vznikajú ako sekundárny dôsledok ochorenia a z celkového poškodenia tkaniva; Jedným z prípadov, v ktorých je táto súvislosť obzvlášť dobre pochopená, je úloha oxidačného stresu pri kardiovaskulárnych ochoreniach. Tu sa zdá, že oxidácia lipoproteínov s nízkou hustotou (LDL) spúšťa proces aterogenézy, ktorý vyúsťuje do aterosklerózy a napokon do kardiovaskulárneho ochorenia [141] [142].
Oxidačné poškodenie DNA môže spôsobiť rakovinu. Pred oxidačným stresom však DNA chráni niekoľko antioxidačných enzýmov, ako sú superoxiddismutáza, kataláza, glutatiónperoxidáza, glutatiónreduktáza, glutatión S-transferáza atď. Predpokladá sa, že polymorfizmy v týchto enzýmoch súvisia s poškodením DNA a následne s rizikom náchylnosti jedinca na rakovinu [143].
Nízkokalorická strava predlžuje medián a maximálnu dĺžku života u mnohých zvierat. Hoci existujú určité dôkazy na podporu úlohy oxidačného stresu pri starnutí u modelových organizmov, ako sú Drosophila melanogaster a Caenorhabditis elegans,[145][146] dôkazy u cicavcov sú menej jasné[147][148][149].[150] Strava s vysokým obsahom ovocia a zeleniny, ktoré majú vysoký obsah antioxidantov, podporuje zdravie a znižuje účinky starnutia, avšak suplementácia antioxidačnými vitamínmi nemá žiadny zistiteľný účinok na proces starnutia, takže účinky ovocia a zeleniny nemusia súvisieť s ich obsahom antioxidantov.[151][152] Jedným z dôvodov môže byť skutočnosť, že konzumácia antioxidačných molekúl, ako sú polyfenoly a vitamín E, spôsobí zmeny v iných častiach metabolizmu, takže práve tieto iné účinky môžu byť skutočným dôvodom, prečo sú tieto zlúčeniny dôležité vo výžive ľudí [89][153].
Mozog je jedinečne zraniteľný voči oxidačnému poškodeniu vzhľadom na vysokú rýchlosť metabolizmu a zvýšenú hladinu polynenasýtených lipidov, ktoré sú cieľom peroxidácie lipidov [154].Preto sa antioxidanty bežne používajú ako lieky na liečbu rôznych foriem poškodenia mozgu. Tu sa na liečbu reperfúzneho poškodenia a traumatického poškodenia mozgu používajú mimetiká superoxiddismutázy,[155] tiopental sodný a propofol,[156] zatiaľ čo experimentálny liek NXY-059[157][158] a ebselen[159] sa uplatňujú pri liečbe cievnej mozgovej príhody. Zdá sa, že tieto zlúčeniny zabraňujú oxidačnému stresu v neurónoch a zabraňujú apoptóze a neurologickému poškodeniu. Antioxidanty sa skúmajú aj ako možné spôsoby liečby neurodegeneratívnych ochorení, ako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a amyotrofická laterálna skleróza[160][161], a ako spôsob prevencie straty sluchu spôsobenej hlukom[162]. Napríklad ubichinón cielený na mitochondrie môže zabrániť poškodeniu pečene spôsobenému nadmerným množstvom alkoholu[163].
Štruktúra polyfenolového antioxidantu resveratrolu.
Predpokladá sa, že oxidácia lipoproteínov s nízkou hustotou v krvi prispieva k srdcovým ochoreniam, a prvé pozorovacie štúdie zistili, že ľudia užívajúci doplnky s vitamínom E majú nižšie riziko vzniku srdcových ochorení [169].[169] Následne sa uskutočnilo najmenej sedem veľkých klinických štúdií na testovanie účinkov antioxidačného doplnku s vitamínom E v dávkach od 50 do 600 mg denne. V žiadnej z týchto štúdií sa nezistil štatisticky významný vplyv vitamínu E na celkový počet úmrtí alebo na úmrtia v dôsledku srdcových ochorení[170].[171][172] Ďalšie štúdie boli tiež negatívne.[172] Nie je jasné, či dávky používané v týchto štúdiách alebo vo väčšine výživových doplnkov sú schopné vyvolať nejaké významné zníženie oxidačného stresu.[173] Celkovo sa napriek jasnej úlohe oxidačného stresu pri kardiovaskulárnych ochoreniach v kontrolovaných štúdiách s použitím antioxidačných vitamínov nezaznamenalo žiadne zníženie rizika vzniku ochorenia srdca ani rýchlosti progresie existujúceho ochorenia[174][175].
Hoci sa v niekoľkých štúdiách skúmali doplnky s vysokými dávkami antioxidantov, v štúdii „Supplémentation en Vitamines et Mineraux Antioxydants“ (SU.VI.MAX) sa testoval účinok suplementácie s dávkami porovnateľnými s dávkami v zdravej strave [176] Viac ako 12 500 francúzskych mužov a žien užívalo buď nízke dávky antioxidantov (120 mg kyseliny askorbovej, 30 mg vitamínu E, 6 mg beta karoténu, 100 µg selénu a 20 mg zinku), alebo placebo tablety v priemere 7,5 roka. Štúdia dospela k záveru, že suplementácia nízkymi dávkami antioxidantov znížila celkový výskyt rakoviny a úmrtnosť zo všetkých príčin u mužov, ale nie u žien. Suplementácia môže byť účinná len u mužov, pretože majú nižší východiskový stav niektorých antioxidantov, najmä betakaroténu.
Mnohé nutraceutické spoločnosti a spoločnosti zaoberajúce sa zdravou výživou predávajú prípravky s antioxidantmi ako výživové doplnky, ktoré sa v priemyselne vyspelých krajinách bežne používajú.[177] Tieto doplnky môžu obsahovať špecifické antioxidačné chemické látky, ako napríklad polyfenol, resveratrol (zo semien hrozna alebo koreňov chrasty),[178] kombinácie antioxidantov, ako napríklad výrobky „ACES“, ktoré obsahujú betakarotén (provitamín A), vitamín C, vitamín E a selén, alebo byliny, ktoré obsahujú antioxidanty – napríklad zelený čaj a jiaogulan. Hoci je určité množstvo antioxidačných vitamínov a minerálov v strave potrebné pre dobré zdravie, existujú značné pochybnosti o tom, či sú tieto antioxidačné doplnky prospešné alebo škodlivé, a ak sú skutočne prospešné, ktoré antioxidanty sú potrebné a v akom množstve.[164][166][179] Niektorí autori totiž tvrdia, že hypotéza, podľa ktorej by antioxidanty mohli zabrániť chronickým ochoreniam, bola v súčasnosti vyvrátená a že táto myšlienka bola od začiatku mylná[180].[181] V nepatrných koncentráciách môžu mať polyfenoly v potrave skôr neantioxidačné úlohy, ktoré ovplyvňujú signalizáciu medzi bunkami, citlivosť receptorov, aktivitu zápalových enzýmov alebo reguláciu génov[182].
Pokiaľ ide o celkovú dĺžku života, dokonca sa predpokladá, že mierne úrovne oxidačného stresu môžu predĺžiť dĺžku života u červa Caenorhabditis elegans tým, že vyvolávajú ochrannú reakciu na zvýšené hladiny reaktívnych foriem kyslíka.[183] Predpoklad, že zvýšená dĺžka života pochádza zo zvýšeného oxidačného stresu, je v rozpore s výsledkami pozorovanými u kvasiniek Saccharomyces cerevisiae[184] a situácia u cicavcov je ešte menej jasná[147][148][149].
Počas cvičenia sa spotreba kyslíka môže zvýšiť viac ako 10-krát [186], čo vedie k veľkému nárastu produkcie oxidantov a k poškodeniu, ktoré prispieva k svalovej únave počas cvičenia a po ňom. Zápalová reakcia, ku ktorej dochádza po náročnom cvičení, je tiež spojená s oxidačným stresom, najmä v priebehu 24 hodín po cvičení. Reakcia imunitného systému na poškodenie spôsobené cvičením vrcholí 2 až 7 dní po cvičení, čo je obdobie, počas ktorého dochádza k väčšine adaptácie, ktorá vedie k väčšej zdatnosti. Počas tohto procesu neutrofily produkujú voľné radikály, aby odstránili poškodené tkanivo. V dôsledku toho môže nadmerná hladina antioxidantov brániť mechanizmom zotavenia a adaptácie[187].[188] Antioxidačné doplnky môžu tiež zabrániť akýmkoľvek zdravotným prínosom, ktoré sa zvyčajne dosahujú cvičením, ako je napríklad zvýšená citlivosť na inzulín.
Dôkazy o prospešnosti suplementácie antioxidantmi pri intenzívnom cvičení sú zmiešané. Existujú presvedčivé dôkazy, že jednou z adaptácií vyplývajúcich z cvičenia je posilnenie antioxidačnej obrany organizmu, najmä glutatiónového systému, s cieľom regulovať zvýšený oxidačný stres[189]. Tento účinok môže byť do určitej miery ochranný proti chorobám, ktoré sú spojené s oxidačným stresom, čo by poskytlo čiastočné vysvetlenie nižšieho výskytu závažných ochorení a lepšieho zdravotného stavu tých, ktorí pravidelne cvičia[190].
Suplementácia vitamínom E však nemá žiadny prínos pre fyzickú výkonnosť športovcov [191]. 6 týždňov suplementácie vitamínom E nemalo napriek jeho kľúčovej úlohe pri prevencii peroxidácie lipidových membrán žiadny vplyv na poškodenie svalov u ultramaratónskych bežcov.[192] Hoci sa zdá, že u športovcov nie je zvýšená potreba vitamínu C, existujú určité dôkazy, že suplementácia vitamínom C zvýšila množstvo intenzívneho cvičenia, ktoré je možné vykonať, a suplementácia vitamínom C pred náročným cvičením môže znížiť množstvo poškodenia svalov[193][194]. Iné štúdie však nezistili žiadne takéto účinky a niektoré výskumy naznačujú, že suplementácia množstvom až 1000 mg brzdí regeneráciu[195].
Štruktúra chelátora kovov kyseliny fytovej.
Relatívne silné redukujúce kyseliny môžu mať antinutričné účinky tým, že sa v gastrointestinálnom trakte viažu na minerálne látky v potrave, ako je železo a zinok, a zabraňujú ich vstrebávaniu.[196] Významnými príkladmi sú kyselina šťavelová, triesloviny a kyselina fytová, ktorých je v rastlinnej strave veľa.[197] Nedostatok vápnika a železa nie je zriedkavý v strave v rozvojových krajinách, kde sa konzumuje menej mäsa a je vysoká spotreba kyseliny fytovej z fazule a nekvaseného celozrnného chleba[198].
Nepolárne antioxidanty, ako napríklad eugenol – hlavná zložka klinčekového oleja – majú limity toxicity, ktoré môžu byť prekročené pri nesprávnom používaní neriedených esenciálnych olejov.Toxicita spojená s vysokými dávkami vo vode rozpustných antioxidantov, ako je napríklad kyselina askorbová, je menej nebezpečná, pretože tieto zlúčeniny sa môžu rýchlo vylúčiť močom.Veľmi vysoké dávky niektorých antioxidantov môžu mať škodlivé dlhodobé účinky. V štúdii CARET (beta-Carotene and Retinol Efficacy Trial) na pacientoch s rakovinou pľúc sa zistilo, že u fajčiarov, ktorým sa podávali doplnky obsahujúce betakarotén a vitamín A, sa zvýšil výskyt rakoviny pľúc[204].
Tieto škodlivé účinky sa môžu prejaviť aj u nefajčiarov, keďže nedávna metaanalýza zahŕňajúca údaje od približne 230 000 pacientov ukázala, že suplementácia β-karoténom, vitamínom A alebo vitamínom E je spojená so zvýšenou úmrtnosťou, ale nezaznamenala žiadny významný účinok vitamínu C. [99] Pri spoločnom skúmaní všetkých randomizovaných kontrolovaných štúdií sa nezistilo žiadne zdravotné riziko, ale zvýšenie úmrtnosti sa zistilo len pri samostatnom skúmaní vysokokvalitných štúdií a štúdií s nízkym rizikom. Keďže sa však väčšina týchto štúdií s nízkym rizikom týkala buď starších ľudí, alebo ľudí, ktorí už trpeli chorobou, tieto výsledky sa nemusia vzťahovať na všeobecnú populáciu. 206] Túto metaanalýzu neskôr tí istí autori zopakovali a rozšírili, pričom novú analýzu uverejnila Cochrane Collaboration; potvrdila predchádzajúce výsledky. 207] Tieto dve publikácie sú v súlade s niektorými predchádzajúcimi metaanalýzami, ktoré tiež naznačovali, že suplementácia vitamínom E zvyšuje úmrtnosť[208] a že antioxidačné doplnky zvyšujú riziko rakoviny hrubého čreva.[209] Výsledky tejto metaanalýzy však nie sú v súlade s inými štúdiami, ako napríklad so štúdiou SU.VI.MAX, ktorá naznačila, že antioxidanty nemajú žiadny vplyv na úmrtnosť z príčin všetkých ochorení[176][210][211][212] Celkovo veľký počet klinických štúdií vykonaných v súvislosti s antioxidačnými doplnkami naznačuje, že tieto produkty buď nemajú žiadny vplyv na zdravie, alebo že spôsobujú malé zvýšenie úmrtnosti u starších alebo zraniteľných skupín obyvateľstva[99][164][166].
Hoci sa antioxidačná suplementácia široko používa v snahe zabrániť vzniku rakoviny, navrhlo sa, že antioxidanty môžu paradoxne zasahovať do liečby rakoviny [213], pretože prostredie rakovinových buniek spôsobuje vysokú úroveň oxidačného stresu, čím sa tieto bunky stávajú náchylnejšie na ďalší oxidačný stres vyvolaný liečbou. V dôsledku toho by antioxidačné doplnky znížením redoxného stresu v rakovinových bunkách mohli znížiť účinnosť rádioterapie a chemoterapie[214][215]. Na druhej strane iné recenzie naznačujú, že antioxidanty by mohli znížiť vedľajšie účinky alebo zvýšiť čas prežitia[216][217].
Meranie a hladiny v potravinách
Meranie antioxidantov nie je jednoduchý proces, pretože ide o rôznorodú skupinu zlúčenín s rôznou reaktivitou na rôzne reaktívne formy kyslíka. V potravinárstve sa súčasným priemyselným štandardom na hodnotenie antioxidačnej sily celých potravín, štiav a prídavných látok do potravín stala kapacita absorpcie kyslíkových radikálov (ORAC)[218][219]. Medzi ďalšie meracie testy patrí Folin-Ciocalteuovo činidlo a test ekvivalentnej antioxidačnej kapacity Trolox[220].
Antioxidanty sa v rôznom množstve nachádzajú v potravinách, ako sú zelenina, ovocie, obilniny, vajcia, mäso, strukoviny a orechy. Niektoré antioxidanty, ako napríklad lykopén a kyselina askorbová, sa môžu zničiť dlhodobým skladovaním alebo dlhým varením [221] [222]. Iné antioxidačné zlúčeniny sú stabilnejšie, napríklad polyfenolové antioxidanty v potravinách, ako sú celozrnné obilniny a čaj.[223][224] Vplyv varenia a spracovania potravín je komplexný, pretože tieto procesy môžu tiež zvýšiť biologickú dostupnosť antioxidantov, napríklad niektorých karotenoidov v zelenine[225]. Vo všeobecnosti spracované potraviny obsahujú menej antioxidantov ako čerstvé a nevarené potraviny, pretože procesy prípravy môžu potraviny vystaviť pôsobeniu kyslíka[226].
Ostatné antioxidanty nie sú vitamíny a namiesto toho sa vytvárajú v tele. Napríklad ubichinol (koenzým Q) sa zle vstrebáva z čriev a u ľudí sa vytvára mevalonátovou cestou. Ďalším príkladom je glutatión, ktorý sa vyrába z aminokyselín. Keďže akýkoľvek glutatión sa v črevách pred vstrebaním rozloží na voľný cysteín, glycín a kyselinu glutámovú, dokonca aj veľké perorálne dávky majú malý vplyv na koncentráciu glutatiónu v tele. 230][231] Hoci veľké množstvá aminokyselín obsahujúcich síru, ako je acetylcysteín, môžu zvýšiť obsah glutatiónu,[232] neexistujú žiadne dôkazy o tom, že konzumácia vysokých dávok týchto prekurzorov glutatiónu je pre zdravých dospelých ľudí prospešná.[233] Dodávanie väčšieho množstva týchto prekurzorov môže byť užitočné ako súčasť liečby niektorých ochorení, ako je syndróm akútnej respiračnej tiesne, bielkovinovo-energetická podvýživa alebo prevencia poškodenia pečene spôsobeného predávkovaním paracetamolom[232][234].
Iné zlúčeniny v strave môžu meniť hladinu antioxidantov tým, že pôsobia ako prooxidanty. V tomto prípade konzumácia zlúčeniny spôsobuje oxidačný stres, na ktorý telo reaguje vyvolaním vyššej hladiny antioxidačnej obrany, ako sú antioxidačné enzýmy [180].[180] Niektoré z týchto zlúčenín, ako sú izotiokyanáty a kurkumín, môžu byť chemopreventívnymi látkami, ktoré buď blokujú premenu abnormálnych buniek na rakovinové, alebo dokonca zabíjajú existujúce rakovinové bunky [180][235].
Antioxidanty sa používajú ako prídavné látky do potravín, ktoré pomáhajú chrániť potraviny pred znehodnotením. Pôsobenie kyslíka a slnečného žiarenia sú dva hlavné faktory oxidácie potravín, preto sa potraviny uchovávajú v tme a uzatvárajú sa v nádobách alebo sa dokonca obaľujú voskom, ako je to v prípade uhoriek. Keďže je však kyslík dôležitý aj pre dýchanie rastlín, skladovanie rastlinných materiálov v anaeróbnych podmienkach spôsobuje nepríjemné chute a nevábne farby [236], preto balenie čerstvého ovocia a zeleniny obsahuje ~8 % kyslíkovej atmosféry. Antioxidanty sú obzvlášť dôležitou triedou konzervačných látok, pretože na rozdiel od bakteriálneho alebo plesňového kazenia dochádza k oxidačným reakciám pomerne rýchlo aj v mrazených alebo chladených potravinách.[237] Medzi tieto konzervačné látky patria prírodné antioxidanty, ako je kyselina askorbová (AA, E300) a tokoferoly (E306), ako aj syntetické antioxidanty, ako je propylgalát (PG, E310), terciárny butylhydrochinón (TBHQ), butylovaný hydroxyanizol (BHA, E320) a butylovaný hydroxytoluén (BHT, E321)[238][239].
Najčastejšími molekulami napadnutými oxidáciou sú nenasýtené tuky; oxidácia spôsobuje ich žltnutie.Keďže oxidované lipidy sú často zafarbené a zvyčajne majú nepríjemnú chuť, napríklad kovovú alebo sírovú, je dôležité vyhnúť sa oxidácii v potravinách bohatých na tuky. Preto sa tieto potraviny zriedkavo konzervujú sušením; namiesto toho sa konzervujú údením, solením alebo fermentáciou. Dokonca aj menej tučné potraviny, ako napríklad ovocie, sa pred sušením na vzduchu postriekajú sírnymi antioxidantmi. Oxidáciu často katalyzujú kovy, preto by sa tuky, ako napríklad maslo, nikdy nemali baliť do hliníkovej fólie alebo uchovávať v kovových nádobách. Niektoré mastné potraviny, ako napríklad olivový olej, sú čiastočne chránené pred oxidáciou vďaka prirodzenému obsahu antioxidantov, ale zostávajú citlivé na fotooxidáciu. 241 Antioxidačné konzervačné látky sa pridávajú aj do kozmetických prípravkov na báze tukov, ako sú rúže a hydratačné krémy, aby sa zabránilo žltnutiu.